Излучение света и тепла

Подробности

Категория: Оптические явления в природе

При нагревании тел скорость движения молекул и атомов увеличивается. Характер же их движения обуславливается агрегатным состоянием вещества. При повышении температуры тела интенсивнее становится и его излучение, изменяется также характер его излучения; чем выше температура тела, тем больше излучается коротких волн; при низких температурах более интенсивно длинноволновое излучение. Если излучение нагретого тела разложить при помощи призмы или дифракционной решетки, то можно получить сплошной спектр , указывающий на то, что излучаются всевозможные длины волн.

ЗАКОНЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Интенсивностью излучения, светимостью или суммарной излучательной способностью называют количество энергии, излучаемое телом в единицу времени t с единицы поверхности S,

Излучающее тело, расходуя энергию на излучение, естественно, должно ее откуда-то получать: или за счет нагревания при помощи посторонних источников энергии или за счет поглощения энергии, излучаемой другими телами. Если количество полученной энергии больше количества расходованной, то температура тела растет, в противном случае — наоборот, падает.

Мы будем рассматривать такое состояние, когда поступление энергии равно ее расходу. В этом случае температура тела остается неизменной. Такое излучение называют стационарным; если же при этом поступление энергии обусловлено только излучением других тел — равновесным.

Интенсивность теплового излучения тела зависит не только от его температуры, оно зависит так же от формы тела, состояния его поверхности и химического состава. Очевидно, что если тело получает энергию только за счет излучения других тел, то чем больше оно ее получает, тем больше и излучает при постоянной температуре.

Отношение потока энергии, поглощенной телом, к потоку полученной энергии называют коэффициентом поглощения или поглощательной способностью:

Отношение потока энергии, отраженной телом, к потоку полученной энергии называют коэффициентом отражения или отражательной способностью:

Аналогично определяют коэффициент пропускания, или пропускательную способность:

Все три эти коэффициента — правильные дроби. Очевидно, что:

Выше сказано, что больше энергии излучает то тело, которое больше ее поглощает.

Тело, которое поглощает все излучение, падающее на него, называют абсолютно черным. У него: А = 1; R = 0; D = 0.

Так как абсолютно черное тело поглощает больше всех других тел, то оно и излучает больше их. В природе можно встретить почти абсолютно черные тела. Примером может служить зрачок глаза, нефтяная копоть, уголь, черный бархат. Абсолютно черное тело можно изготовить искусственно. Чаще всего его изготавливают в виде замкнутой полости, черной внутри с небольшим отверстием. Отверстие как раз и является абсолютно черным телом (рис. 48а). Если такое тело накалить в печи до свечения, то его отверстие светит ярче стенок, чем подтверждается положение об излучении абсолютно черного тела. Солнце обычно принимают за абсолютно черное тело с температурой излучения

Т ≈ 5785°К.

Установлено, что у абсолютно черного тела излучательная способность [ε] пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры (закон Стефана — Больцмана): ε = σ T⁴, где σ = 5,67 • 10^-8 вт/(м²-град⁴).

В сказанном выше убеждают нас и некоторые наблюдения и простые опыты.

Если ранней весной, когда начинает таять снег, посыпать нетолстым слоем золы или сажи небольшой участок снега на солнечном месте, то можно убедиться, что грязный снег тает быстрее, так как он больше поглощает энергии.

Пронаблюдайте за свечением раскаленных углей в печке. Бросьте на угли белый фаянсовый черепок и посмотрите, что ярче светит, угли или черепок. Бросьте в печь черепок с темными узорами и наблюдайте за его свечением. Вы придете к выводу, что черное тело излучает больше энергии, чем белое при той же температуре.

ВИДИМОЕ И НЕВИДИМОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Однако не все излучение тела приходится на долю видимого света — только незначительная его часть, лежащая в области длин волн между 400 и 760 нм, видима. Остальное приходится на долю невидимых инфракрасных (λ — 760 нм÷ 1 мм и более), а также на долю ультрафиолетовых (λ = 400 ÷ 10 нм и менее) длин волн. Группа кривых распределения энергии, излучаемой абсолютно черным телом в зависимости от температуры, показана на рисунке 486. Кривые построены так, что площадь, заключенная между каждой кривой и осью абсцисс, пропорциональна всей, энергии, излучаемой единицей поверхности черного тела в единицу времени (его светимости), при данной температуре. Из рисунка видно, что с увеличением температуры не только растет эта площадь, т. е. увеличивается общее количество излучаемой энергии, но и максимум излучения перемещается влево, т. е. в сторону более коротких длин волн (закон Вина).

Интересно отметить, что середина видимого спектра, соответствующая длине волны λ = 550 нм, наиболее легко воспринимаемая глазом, совпадает с максимумом излучения при температуре 5500° К. Эта температура близка к температуре поверхности Солнца.

СПЕКТРЫ

Как уже говорилось в предыдущих главах, свет, излучаемый каким-либо источником, может быть при помощи призмы или диффракционной решетки разложен в спектр — это спектр излучения, или испускания. Вид спектра зависит от природы излучающего вещества, его физического состояния и способа возбуждения излучающих атомов. Так, одноатомные газы и пары, находящиеся в разреженном состоянии, когда атомы не действуют друг на друга, при возбуждении электрическим током излучают наиболее простые линейчатые спектры. Такие же спектры излучают раскаленные пары металлов.

Более сложные атомы и молекулы, будучи возбуждены электрическим током, дают полосатые спектры.

Раскаленные твердые и жидкие тела и сильно сжатые газы дают сплошные спектры.

Если на пути света, дающего сплошной спектр, находятся вещества, способные поглощать некоторые волны, то на фоне сплошного спектра мы видим темные, более или менее широкие полосы — это спектры поглощения. Во многих случаях тела поглощают именно те длины волны, которые они сами способны излучать при данной температуре. Там же показано образование спектра на скошенном краю зеркала. Цветной пучок лучей падает на стенку или потолок в виде так называемого цветного зайчика. Подобное явление наблюдается на хрустальных подвесках люстр.

ИЗБИРАТЕЛЬНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ И ИЗЛУЧЕНИЕ

Пропустите луч света через цветное стекло, например красное. Оно поглотит все цвета спектра за исключением красного. Зеленое стекло пропустит зеленый свет и т. д. Эти вещества обладают избирательным поглощением и избирательной прозрачностью. А какой же свет излучает красное или зеленое стекло?

Цвет их излучения зависит от температуры. При комнатной температуре тела излучают только инфракрасные лучи. Видимое излучение начинается только при температуре около 400° С. Но даже при этой температуре максимум излучения находится в темно-красной области. Так что тело не обязательно излучает те же длины волн, которые оно поглощает при данной температуре. Для того, чтобы оно излучало видимый свет, его нужно нагреть до высокой температуры.

Посмотрите на яркий ковер луга, на пестрый цветник, на разноцветные платья. Почему же они цветные? Может быть, они излучают свет различного цвета? Нет. В темноте они не видны, значит, они светят не своим светом, а отраженным. Краски и некоторые вещества органического происхождения в цветах растений обладают избирательным отражением и поглощением. Например, красная краска поглощает все цвета за исключением красного, который она рассеивает.

Проделайте следующий опыт. На рисунке ниже изображены контуры двух собак — один сделан красной краской, другой зеленой. Осветите рисунок белым светом и рассматривайте его сначала через красное, а затем через зеленое стекло. Зеленые лучи, отраженные от контура зеленого цвета, поглотятся красным стеклом и этот контур будет казаться черным. Красные же лучи от красного контура, а также красные лучи от белого фона воспримутся глазом как красный фон, и красный контур окажется почти невидимым.

Если смотреть на чертеж через зеленое стекло, красная собака будет видна в черном цвете, а зеленая исчезнет. Опыт можно видоизменить — освещать рисунок поочередно красным, а затем зеленым светом. При освещении красным светом бумага окрашивается в красный цвет и красный рисунок исчезает на красном фоне. Зато зеленый рисунок виден отчетливо, причем он кажется нам черным. При освещении зеленым светом, наоборот, красный рисунок нам кажется черным, а зеленый исчезает.

ПОЧЕМУ ЛЕТОМ ТЕПЛО, А ЗИМОЙ ХОЛОДНО?

Некоторые думают, что летом теплее потому, что Земля в это время находится ближе к Солнцу. Это неверно. Когда в северном полушарии зима, Земля ближе к Солнцу и движется быстрее, а летом дальше и движется медленнее. (Вспомните законы Кеплера.) По этой-то причине зима в северном полушарии на три дня короче лета. Это нетрудно проверить по календарю: астрономическое лето длится с 23 июня по 22 сентября — 92 дня, а зима — с 23 декабря по 22 марта — 89 дней.

Причиной различия температуры летом и зимой является не расстояние, а наклон земной оси (рис. 49). Летом Земля расположена так, что угол падения солнечных лучей на ее поверхность меньше, чем зимой, а вследствие этого больше освещенность (Е) земной поверхности, так как Е = Е₀ cos а, где Е₀ — освещенность поверхности при нормальном падении лучей. Следовательно, в этом случае больше энергии солнечного излучения приходится на единицу поверхности Земли в единицу времени (рис. 50).

Различие температуры утром, днем и вечером также зависит от угла падения солнечных лучей. Надо только учесть, что атмосфера и облака, поглощая и рассеивая солнечную энергию, особенно в фиолетовой и ультрафиолетовой области, значительно ослабляют прямое действие солнечных лучей. Кроме того, воздух, вода, горы, земля и предметы, находящиеся на ней, «запасают» в жаркие часы дня теплоту и отдают ее вечером и ночью, смягчая при этом переход от дня к ночи и наоборот.

На Луне, где нет атмосферы, переход от невыносимой жары (около +180° С) на солнце к жестокому холоду (около —120° С) в тени очень резок.

ТЕМПЕРАТУРА НА СОЛНЦЕПЕКЕ И ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ

1.    Часто говорят: «Как жарко сегодня, в тени 30 градусов по Цельсию, а «на солнце» еще больше ...»Асколько же «на солнце» (точнее, на солнцепеке)? Оказывается, что на этот вопрос нельзя ответить, так как различные термометры, дающие одинаковые показания в тени, дадут различные показания на солнцепеке. Термометр всегда показывает свою температуру. В тени его температура равна температуре воздуха. А «на солнце»? «На солнце» его температура зависит не только от температуры воздуха, но и от цвета термометра, и в первую очередь «шарика» с ртутью или спиртом. В этом можно убедиться, если, отсчитав показания термометра на солнцепеке, закоптить слегка его резервуар с жидкостью и опять отсчитать его показания в тех же условиях.

2.    Парниковый эффект. Всем известно, что под стеклом «на солнце» теплее, чем в окружающем воздухе. Это так называемый парниковый эффект. Им пользуются для выращивания теплолюбивых растений ранней весной, когда воздух еще холоден.

В чем же дело? Почему под стеклом, в закрытом парнике, температура поднимается до 40 — 50° С, в то время как температура окружающего воздуха 10 — 15° С?

Световые лучи проникают сквозь стекло, нагревают в парнике землю и другие предметы, которые их поглощают. В свою очередь эти нагретые тела излучают тепловые невидимые лучи, которые не проходят сквозь стекло наружу и нагревают воздух в парнике. Кроме того, воздух нагревается от соприкосновения с нагретыми светом непрозрачными телами.